Sve na svijetu, bilo prirodno ili sintetičko, sastoji se od sićušnih struktura zvanih atomi, a koje se sastoje od protona, neutrona i elektrona. Protoni imaju pozitivan naboj, neutroni nemaju naboj, a elektroni imaju negativan naboj. Ravnoteža ovih čestica određuje ukupni naboj atoma. Objekt s pozitivnim nabojem, poput osobe nakon što je snažno trljao noge prekrivene čarapama o tepih, sadrži više pozitivnih čestica (protona) nego negativnih (elektrona). Budući da pozitivne atome privlače negativni, a odbijaju drugi pozitivni, naboji atoma koji čine komad tvari snažno utječu na njegova svojstva i ponašanje.
Atomski naboji
Atomi, koji su osnovna jedinica tvari, imaju jezgru sastavljenu od protona i neutrona, oko kojih je vezano jedan ili više elektrona. Broj protona određuje koji je element atom i dan je kao njegov atomski broj. Na primjer, magnezij ima 12 protona, što mu daje atomski broj 12, dok kisik ima osam. Kada se atomi spoje, postaju molekule.
Elektroni i protoni nemaju istu veličinu i težinu – elektroni su manji i lakši od protona – ali imaju istu količinu naboja. To jest, odgovarajući broj protona i elektrona međusobno se poništavaju u smislu ukupnog naboja. Budući da su neutroni neutralni, njihov broj ne utječe na naboj atoma.
Iako ukupan broj subatomskih čestica koje atom ima varira, atomi su obično električno uravnoteženi, s jednakim brojem protona i elektrona. To znači da prirodno atomi imaju neutralan naboj, ali to se može promijeniti dobivanjem ili gubitkom elektrona kemijskim i fizikalnim procesima. Kada se elektron izgubi, ravnoteža se pomiče s dodatnim protonom, dajući atomu pozitivan naboj. Obrnuto vrijedi za negativno nabijene atome, koji su dobili elektron. Kada je ravnoteža čestica poremećena, dajući pozitivan ili negativan atom (ili molekulu), one se više ne nazivaju atomima. Umjesto toga, oni su ioni, pri čemu se pozitivni nazivaju kationi, a negativni anioni.
Naboj i ponašanje
Naboj koji predmet ima utječe na to kako on reagira na okolinu. Na primjer, kationi privlače anione, ali ih drugi kationi odbijaju. Slično, negativno nabijeni atomi se međusobno odbijaju. Ovo ponašanje se naziva Coulombov zakon.
Pozitivni atomi ne privlače niti odbijaju neutralne, ali se kroz fenomen koji se zove elektrostatička indukcija može stvoriti privlačnost. To se događa jer elektroni u nekim molekulama imaju tendenciju da postanu pokretljiviji kada je pozitivan naboj blizu. Elektroni u neutralnoj molekuli tada se mogu kretati prema izvoru pozitivnog naboja. Kretanje stvara negativan naboj na najbližoj točki izvoru, iako je molekula općenito nepromijenjena. Ova pojava se najčešće događa s metalima, što je ono što omogućuje da električni naboj teče kroz njih.
Svakodnevne aplikacije
Mnogi svakodnevni predmeti i procesi koriste pozitivne naboje. Kada se rublje prevrće u sušilici rublja, na primjer, kretanje uzrokuje pomicanje elektrona s atoma na površini nekih predmeta na druge, dajući komadima odjeće različite naboje. To je ono što dovodi do statičkog prianjanja, budući da se sada pozitivno i negativno nabijene čestice privlače jedna drugoj i čine da se odjeća lijepi. Plahte za sušenje obično sadrže kemikalije koje imaju pozitivan naboj, koji se trlja na predmete, pomažući da negativni ponovno budu neutralni.
Drugi primjer je laserski pisač koji ispisuje tekst i slike na papir stvarajući niz pozitivnih i negativnih naboja. Kada započne ispis, laser “piše” prenoseći negativno nabijeni statički elektricitet u cilindar s pozitivnim nabojem. Toner, koji je također pozitivan, zatim se nanosi na cilindar i privlači negativna područja. Cilindar se zatim kotrlja po listu negativno nabijenog papira, a toner se veže za njega.
Biološke molekule
Kombinirani zbroj svih atoma i iona koji su dio biološke molekule poznat je kao njezin neto naboj. Većina molekula je općenito neutralna, ali velike obično imaju jedno ili više diskretnih područja koja pokazuju negativan ili pozitivan naboj. Ta područja snažno utječu na način na koji se molekula savija i na način na koji interakcija s drugim molekulama. Na primjer, DNA i RNA su obje nukleinske kiseline, ali se djelomično ponašaju vrlo različito jer su im naboji različito raspoređeni duž njihovih površina.
Znanstvena istraživanja često zahtijevaju informacije o nabojima atoma i molekula jer utječu na ponašanje biološki aktivnih molekula. Jedno posebno područje u kojem je manipulacija molekularnim nabojima vrlo korisna je u racionalnom dizajnu lijekova. Istraživači u ovom području rade na razvoju učinkovitijih lijekova, u nekim slučajevima manipulirajući nabojom potencijalnog lijeka kako bi on djelovao učinkovitije sa svojom metom.